Ka波段單脈沖平面和差網(wǎng)絡(luò)和天線的研究

1 引言

從20世紀(jì)40年代后期開(kāi)始，毫米波單脈沖雷達(dá)技術(shù)逐步得到發(fā)展和應(yīng)用，尤其是在航空和導(dǎo)彈防御系統(tǒng)中，毫米波單脈沖雷達(dá)發(fā)揮著重要的作用。毫米波單脈沖天線饋電網(wǎng)絡(luò)是毫米波雷達(dá)的關(guān)鍵技術(shù)之一。傳統(tǒng)的和差網(wǎng)絡(luò)由魔T構(gòu)成，但結(jié)構(gòu)過(guò)于龐大，不易實(shí)現(xiàn)平面化、集成化，并且成本較高。隨著微帶印刷技術(shù)的不斷發(fā)展，微帶結(jié)構(gòu)的和差網(wǎng)絡(luò)被廣泛應(yīng)用，但是毫米波波段的微帶電路的損耗很大，并且功率承受能力較低。本文設(shè)計(jì)的Ka波段平面和差網(wǎng)絡(luò)采用波導(dǎo)縫隙耦合結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、損耗小、各端口幅度和相位一致性好等優(yōu)點(diǎn)。

2 和差網(wǎng)絡(luò)模型及工作原理

最早的縫隙耦合式波導(dǎo)和差器是由H.A.Bethe提出的，它的原理是：在兩根平行的矩形波導(dǎo)公共窄壁上開(kāi)一個(gè)耦合裂縫構(gòu)成90°混合電橋，如圖1所示。根據(jù)3dB電橋原理，通過(guò)改變耦合裂縫的長(zhǎng)度可以調(diào)整兩波導(dǎo)間的耦合度，使直通端口和耦合端口的輸出功率相等。由于耦合端口的電場(chǎng)相位滯后直通端口的電場(chǎng)相位90°，所以直通端口和耦合端口存在90°的相位差，可以在輸入端口增加四分之一波長(zhǎng)的波導(dǎo)段消除相差。圖1中port1和port4為輸入端口，port2為和信號(hào)輸出端口，port3為差信號(hào)輸出端口。

圖1 縫隙電橋(左)及和差器構(gòu)成原理圖(右)

在圖1所示的結(jié)構(gòu)中，設(shè)從輸入端口輸入電場(chǎng)幅度為E的TE10波，其余端口均接匹配負(fù)載。選取合適的波導(dǎo)尺寸，使主副波導(dǎo)耦合段內(nèi)只能傳輸TE10和TE20兩種模式的電磁波。根據(jù)疊加原理，輸入端的電磁波等效于在port1和port4同時(shí)輸入電場(chǎng)幅度為E/2的偶模波和奇模波的疊加。設(shè)波導(dǎo)寬壁的內(nèi)尺寸為a，耦合段寬度為2a，長(zhǎng)度為w。

當(dāng)偶模波在耦合段內(nèi)激勵(lì)起TE10模時(shí)，它的波導(dǎo)波長(zhǎng)為：

(1)

當(dāng)奇模波在耦合段內(nèi)激勵(lì)起TE20模時(shí)，它的波導(dǎo)波長(zhǎng)為：

(2)

上述兩種模式的波同時(shí)傳向port2和port3，當(dāng)以耦合段的起始位置作為相位的零參考點(diǎn)時(shí)，則

port2的電場(chǎng)為：

(3)

port3的電場(chǎng)為：

(4)

其中和分別為TE10，TE20模的相移常數(shù)。

由式(3)和式(4)可以得出，port2比port3電場(chǎng)相位超前90度。根據(jù)對(duì)3dB裂縫電橋的要求， port3與port2輸出功率相等。即：

(5)

由式（5）可以得到

(6)

在上述計(jì)算中忽略了結(jié)構(gòu)不連續(xù)性引起的誤差。在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，為了改善匹各端口配特性，增加帶寬，可以在耦合區(qū)的中心線上安置容性螺釘或感性螺桿。